Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
СПОСОБ ОТВЕРЖДЕНИЯ ЖИДКИХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
СПОСОБ ОТВЕРЖДЕНИЯ ЖИДКИХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

СПОСОБ ОТВЕРЖДЕНИЯ ЖИДКИХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Сущность изобретения: способ отверждения жидких радиоактивных отходов включает их подготовку, концентрирование и смешивание с флюсующими добавками, нагрев полученной смеси, плавление, слив расплава в емкости, охлаждение расплава и формирование блоков. Концентрирование осуществляют распылительной сушкой и кальцинацией при 600-800°С. В качестве флюсующих добавок используют минералообразующие соединения в количествах, которые позволяют получить блоки в виде минералоподобного материала. выбранного из группы минералов: Эгирин, Жадеит, Эгирин-авгит, Арфведсонит, Ортит, Шерлит, Ловчоррит, Андрадит или их смеси. Синтез этого материала осуществляют плавлением при 1250-1800°С и при непосредственном воздействии индукционного поля на расплав. Устройство для отверждения жидких радиоактивных отходов включает емкость для жидких радиоактивных отходов (1), аппарат концентрирования (3), индукционный плавитель (16), имеющий водоохлаждаемое сливное устройство (19), емкость с флюсующими добавками (12), снабженную дозатором (13), смеситель (11), узел очистки отходящих газов (9), систему трубопроводов и арматуры. Устройство дополнительно снабжено высокотемпературным теплоизолированным фильтром (8) и трубопроводом, соединяющим аппарат концентрирования (3), смеситель (11) и фильтр (8). Аппарат концентрирования выполнен в виде обогреваемого снаружи и расположенного над плавителем цилиндрического сосуда в верхней крышке которого установлена форсунка (5), соединенная с емкостью жидких радиоактивных отходов (1) и источником сжатого воздуха (2). Индукционный плавитель выполнен в виде водоохлаждаемого тигля (16) с прозрачными для переменного электромагнитного поля боковыми стенкам и дном, внутри которого сформированы сообщающиеся между собой в нижней части тигля плавильная (15) и сливная (17) камеры. Плавильная камера через смеситель (11) сообщена с аппаратом концентрирования (3), фильтром (8) и дозатором флюса (13). Технический результат заключается в повышении безопасности процесса отверждения и обеспечении экологически безопасного хранения радиоактивных веществ в течение длительного времени. 2 с. и 5 з.п. ф-лы, 5 табл., 2 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2164716
Класс(ы) патента: G21F9/16
Номер заявки: 99123975/06
Дата подачи заявки: 15.11.1999
Дата публикации: 27.03.2001
Заявитель(и): Государственный научный центр РФ Всероссийский научно- исследовательский институт неорганических материалов им. акад. А.А. Бочвара
Автор(ы): Шестоперов И.Н.; Смелова Т.В.; Мусатов Н.Д.; Агеенков А.Т.; Комаров Э.В.; Демин А.В.; Кривяков О.А.
Патентообладатель(и): Государственный научный центр РФ Всероссийский научно- исследовательский институт неорганических материалов им. акад. А.А. Бочвара
Описание изобретения: Изобретение относится к области охраны окружающей среды, а именно к технологии отверждения жидких радиоактивных отходов, которые образуются при регенерации отработавшего ядерного топлива, дезактивации, а также при проведении других радиохимических и металлургических процессов.
В области обеспечения жизни человека в экологически безопасной окружающей среде важное место занимает проблема обезвреживания различных жидких радиоактивных отходов (далее - ЖРО), образующихся в процессе переработки ядерного топлива. Одной из главных задач является значительное уменьшение объемов (концентрирование) ЖРО, а также перевод их в твердое состояние, т.е. в форму, удобную для транспортировки и надежного длительного хранения в течение 500 - 1000 лет. Так, при переработке облученного ядерного топлива образуются ЖРО, содержащие компоненты различных технологических растворов и продукты коррозии технологических аппаратов, содержащие радионуклиды-осколки деления, остатки ядерного топлива и трансурановые элементы. В настоящее время основное количество ЖРО накапливается и хранится в специальных емкостях-хранилищах и только небольшая часть ЖРО остекловывается. Хранение радиоактивных отходов без переработки не соответствует современным требованиям экологической безопасности и является возможным источником техногенных радиационных аварий. Перевод ЖРО в компактные твердые формы, удобные для транспортировки, хранения и захоронения, существенно уменьшат этот риск.
Известен способ отверждения ЖРО высокого и среднего уровня активности, включающий их выпаривание до 40-80% остаточной влаги, смешивание с глинистым веществом, содержащим цемент, формование смеси, сушку гранул при 150oC, кальцинацию при 800oC и обжиг при 1400oC в течение 10-20 часов с получением вещества типа керамики (Патент ФРГ N 2726087, кл. B 03 B 9/06, 1978 г.). Известный способ не позволяет получить высокорадиоактивные отходы (далее - ВАО) в достаточно химически устойчивой и механически прочной матрице.
Известен способ отверждения ЖРО, включающий выпаривание, распылительную сушку, прокаливание полученного порошка в печи до разложения азотной кислоты, и остекловывание ВАО в плавильной камере индукционной печи (Заявка Японии 60-24440, кл. G 21 F 9/16, опубл. 06.12.1985). Этот способ является наиболее близким к заявляемому и выбран в качестве прототипа.
Установка для осуществления этого способа состоит из объединенных в единый блок сборника ЖРО, расходного бака, выпарного аппарата, аппарата распылительной сушки, обжигательной и плавильной камер.
Недостатком этого способа является сложность получения температуры в плавителе выше 1200oC, что не позволяет синтезировать минералоподобные материалы необходимого качества. Это обусловлено тем, что тепло передается в зону плавления от нагреваемой индукционными токами стенки плавителя, которая не выдерживает высоких температур из-за прямого контакта расплава со стенками плавителя и их быстрой коррозии. Известный способ не приспособлен для переработки шламов из-за использования выпарных аппаратов корпусного типа.
Известно устройство для остекловывания радиоактивных отходов, содержащих ионообменные смолы, включающее емкость для ЖРО, емкость аппарата обезвоживания, аппарат обезвоживания, соединенный с сепаратором и конденсатором, емкость-смеситель, соединенную с аппаратом обезвоживания, емкостью со стеклообразователями и емкостью ЖРО (Патент РФ 2115182, кл. G 21 F 9/16, опубл. 09.09.1997). Емкость-смеситель соединена с емкостью-накопителем, которая через вихревой аппарат соединена с индукционной печью для получения остеклованной массы. Индукционная печь содержит холодный тигель с подвижным индуктором. Сливное устройство состоит из сливной трубки с водоохлаждаемой рубашкой, верхней крышки и водоохлаждаемого сливного затвора. При этом водоохлаждаемая рубашка сливной трубки встроена в корпус холодного тигля. Выход печи соединен последовательно с системой фильтрации отходящих газов, конденсатором системы фильтрации, емкостью системы фильтрации, абсорбционной установкой, подогревателем, каталитическим реактором и конденсатором каталитического реактора.
Недостатком известного устройства является то, что оно предназначено для отверждения отходов средней и низкой активности и не может быть применено для обработки ВАО, поскольку большинство аппаратов (емкость для ЖРО, емкость аппарата обезвоживания, аппарат обезвоживания, емкость гетерогенных ЖРО, дозатор гетерогенных ЖРО, емкость-накопитель, питатель) оборудованы электродвигателями, которые быстро разрушаются в полях излучения, создаваемых ВАО. Известное устройство не обеспечивает возможность дистанционной заменены этого оборудования. Кроме того, недостатками известного устройства являются высокая остаточная влажность получаемого концентрата и периодичность операции концентрирования, что снижает производительность устройства.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является устройство для остекловывания ЖРО, включающее емкость гомогенных ЖРО, емкость добавок для кальцинации, емкость-смеситель, снабженную дозатором, аппарат обезвоживания (роторный кальцинатор), емкость-пылесборник, емкость со стеклообразователем, шлюзовой дозатор стеклообразователей, металлический тигель с неподвижным индуктором, имеющий донный сливной патрубок, снабженный охлаждающей рубашкой и собственным индуктором, а также узел обезвреживания отходящих газов, включающий устройство-обеспыливатель, конденсатор системы фильтрации, емкость конденсатора системы фильтрации и газоочистку (А.С. Никифоров, В. В. Куличенко, М.И. Жихарев, Обезвреживание жидких радиоактивных отходов. - М.: Энергоатомиздат, 1985, с. 85, 93, 94).
Недостатками известного устройства являются повышенная опасность радиоактивного загрязнения из-за сложности и недостаточной надежности аппаратуры, работающей в условиях интенсивного радиационного излучения, а также применения плавителя с нагревом расплава от его стенки, которая (вследствие прямого контакта с расплавом) быстро корродирует. Кроме того, устройство имеет низкую производительность за счет возврата конденсата из системы очистки газов в емкости исходного раствора для повторной переработки, а также непригодно для фиксирования ВАО в форме минералоподобных блоков, требующих для синтеза температур выше 1250oC.
Техническая задача изобретения заключается в создании технологии отверждения ЖРО различного состава, пригодной для дистанционного и безопасного изготовления минералоподобных блоков, обеспечивающих экологически безопасное хранение радиоактивных веществ в течение длительного времени.
Эта задача решается тем, что в заявляемом способе отверждения жидких радиоактивных отходов (включающем их подготовку, концентрирование и смешивание с флюсующими добавками, нагрев полученной смеси, плавление, слив расплава в емкости, охлаждение расплава и формирование блоков) концентрирование осуществляют распылительной сушкой и кальцинацией при температуре 600-800oC, в качестве флюсующих добавок используют минералообразующие соединения в количествах, которые позволяют получить блоки в виде минералоподобного материала, выбранного из группы минералов: Эгирин, Жадеит, Эгирин-авгит, Арфведсонит, Ортит, Шерлит, Ловчоррит, Андрадит или их смеси, причем синтез этого материала осуществляют плавлением при температуре 1250-1800oC и при непосредственном воздействии индукционного поля на расплав.
В частности, техническая задача решается тем, что при реализации способа для отверждения жидких радиоактивных отходов, обогащенных щелочными элементами и алюминием, в качестве минералоподобного материала используют Эгирин, Жадеит, Эгирин-авгит, Арфведсонит, Ортит, Шерлит или их смеси, а синтез материала осуществляют при температуре 1300-1800oC.
В частности, техническая задача решается тем, что при реализации способа для отверждения жидких радиоактивных отходов, обогащенных продуктами деления и продуктами коррозии аппаратуры, в качестве минералоподобного материала используют Ловчоррит и Андрадит, а синтез материала осуществляют при температуре 1250-1500oC.
Поставленная задача решается тем, что в реализуемом устройстве для отверждения жидких радиоактивных отходов (включающем емкость для жидких радиоактивных отходов, аппарат концентрирования, индукционный плавитель, имеющий водоохлаждаемое сливное устройство, емкость с флюсующими добавками, снабженную дозатором, смеситель, узел очистки отходящих газов, систему трубопроводов и арматуры) устройство дополнительно снабжено высокотемпературным теплоизолированным фильтром и трубопроводом, соединяющим аппарат концентрирования, смеситель и фильтр, аппарат концентрирования выполнен в виде обогреваемого снаружи и расположенного над плавителем цилиндрического сосуда, в верхней крышке которого установлена форсунка, соединенная с емкостью жидких радиоактивных отходов и источником сжатого воздуха, индукционный плавитель выполнен в виде водоохлаждаемого тигля с прозрачными для переменного электромагнитного поля боковыми стенками и дном, внутри тигля сформированы сообщающиеся между собой в нижней части тигля плавильная и сливная камеры, плавильная камера через смеситель сообщена с аппаратом концентрирования, фильтром и дозатором флюса, сливная камера снабжена водоохлаждаемым сливным устройством.
В частности, техническая задача решается тем, что каждый из основных узлов устройства - емкость для жидких радиоактивных отходов, аппарат концентрирования с фильтром, индукционный плавитель, емкость с флюсующими добавками, снабженная дозатором, смеситель, узел очистки отходящих газов, выполнены в виде дистанционно демонтируемых и заменяемых модулей.
В частности, техническая задача решается тем, что при реализации устройства боковые стенки и дно корпуса водоохлаждаемого тигля состоят из двухслойного набора параллельных водоохлаждаемых трубок, собранных на единой крышке-коллекторе и герметизированных диэлектрической керамикой.
В частности, техническая задача решается тем, что при реализации устройства аппараты узла очистки отходящих газов соединены с источником разрежения.
Проведение процесса концентрирования ЖРО путем их обезвоживания и кальцинации при температуре 600-800oC, который предусматривает первый вариант способа, позволяет получить мелкий сыпучий кальцинат за счет более полного обезвоживания и прокалки, что улучшает загрузку его в плавильный тигель, повышает производительность устройства при уменьшении времени сплавления кальцината с флюсующими добавками.
Проведение процесса синтеза минералоподобных соединений при температуре 1250-1800oC позволяет получать блоки с высокой химической стойкостью, способные удерживать радионуклиды длительное время в условиях захоронения.
Проведение процесса конденсации паров воды и азотной кислоты после очистки парогазового потока на фильтре, которым снабжено устройство, позволяет получить конденсат низкой активности и не возвращать его в емкости исходного раствора, что повышает общую производительность предлагаемого способа.
Узел очистки отходящих газов представляет собой единую цепочку аппаратов, соединенных с вакуум-насосом, создающим разрежение во всей цепочке аппаратов.
Использование в качестве аппарата концентрирования распылительного кальцинатора в комплексе с высокотемпературным фильтром, которые не имеют механических движущихся частей, повышает надежность и ресурс всего устройства.
Использование в индукционном плавителе тигля, боковые стенки и дно которого набраны из двухслойно расположенных водоохлаждаемых трубок, собранных на едином коллекторе и герметизированных диэлектрической керамикой, снижает потери подводимой к расплаву энергии, а за счет образования гарнисажа из охлажденного расплава на внутренней поверхности тигля исключает коррозию материала плавителя, что значительно повышает ресурс и безопасность плавителя.
Использование в индукционном плавителе тигля с плавильной и сливной камерами, которые сформированы перегородкой, препятствует попаданию в слиток непрореагировавших продуктов, что обеспечивает получение блоков необходимого качества.
На фиг. 1 представлен общий вид устройства.
На фиг. 2 представлена конструкция стенок и дна водоохлаждаемого тигля.
Устройство для отверждения ЖРО (см. фиг. 1) включает емкость (1) для ЖРО, аппарат сжатого воздуха (2), аппарат концентрирования (аппарат распылительной сушки и кальцинации) (3), автоматически регулируемые вентили (4), форсунку (5), цилиндрический сосуд-кальцинатор (6), продуктопровод (7), высокотемпературный фильтр (8), узел очистки отходящих газов (9), вакуумный насос (10), смеситель (11), емкость с флюсующими добавками (12), дозатор флюса (13), промежуточные накопители флюса (14), индукционный плавитель - водоохлаждаемый тигель с неподвижным индуктором (16), плавильную камеру (15), сливную камеру (17), перегородку (18), сливное устройство (19), готовый блок (20), дистанционные разъемы (22).
Боковые стенки и дно корпуса водоохлаждаемого тигля (23) (см. фиг. 2) имеют следующую конструкцию: двухслойные водоохлаждаемые трубки (24), крышка коллектора (21) (см. фиг. 1), диэлектрическая керамика (25), гарнисаж из захоложенного расплава матрицы (26), расплав матрицы (27).
Устройство для отверждения ЖРО (см. фиг. 1) работает следующим образом. Для приготовления монолитного блока жидкие ВАО, содержащие щелочные, щелочноземельные радионуклиды и алюминий, находящиеся в емкости ЖРО (1), перемешивали циркуляцией или барботированием сжатым воздухом, поступающим из устройства (2), далее ЖРО под давлением сжатого воздуха подавали в аппарат концентрирования - устройство распылительной сушки и кальцинации (3), через автоматически регулируемые вентили (4), и форсунку (5), в кальцинатор (6), туда же из устройства (2) подавали сжатый воздух. Через форсунку (5) сжатым воздухом ЖРО распылялись в кальцинатор (6). Диспергированные отходы в виде капель, перемещаясь вниз, получали тепло за счет излучения и конвекции от нагретых до 750-800oC стенок аппарата. При этом происходит испарение влаги и частичное разложение солей до окислов при температуре 600-800oC. Процесс превращения жидких капель в твердые частицы происходит в газовой фазе без контакта с поверхностью аппаратуры, что предотвращает контакт жидкой фазы с тепловыделяющей поверхностью и исключает отложение трудноудаляемой твердой корки, а диспергированные жидкие ВАО превращаются в сыпучий кальцинат. Парогазовый поток выходит из кальцинатора (6) по V-образному продуктопроводу (7) в фильтр (8), где очищается от увлеченных потоком частиц кальцината. Очищенный от частиц кальцината газовый поток направляется в узел обезвреживания отходящих газов (9), где очищается от вредных примесей в цепочке аппаратов, соединенных с вакуумным насосом (10). Осажденный на фильтре кальцинат периодически удаляется обратным импульсом сжатого воздуха или встряхиванием и вместе с кальцинатом из аппарата концентрирования поступает в смеситель флюса и кальцината (11). Туда же из емкости с флюсующими добавками (12) через дозатор флюса (13) и промежуточные накопители (14), работающие поочередно, что позволяет избежать проникновения радионуклидов из аппаратов в чистую зону, поступают флюсующие добавки в количестве, необходимом для получения конечного продукта в виде природного минералоподобного материала типа одного из минералов или их смеси: Эгирин, Жадеит, Эгирин-авгит, Арфведсонит, Ортит, Шерлит. Из переходника смесителя (11) смесь кальцината и флюса самотеком поступает в плавильную камеру (15) водоохлаждаемого тигля (16), в котором осуществляют плавление смеси. Расплав минералоподобной матрицы в плавильной (15) и сливной (17) камерах водоохлаждаемого тигля (16) готовят стартовым нагревом предварительно загруженной шихты, аналогичной по составу с матрицей (первый старт) или разогревом захоложенной по каким-либо причинам (например, регламентные работы) минералоподобной матрицы (повторные запуски). Стартовый нагрев осуществляют, помещая через дозатор флюса (13) и промежуточные накопители (14) электропроводный стартовый материал (50-100 г) на поверхность шихты или захоложенной матрицы и подавая на водоохлаждаемый тигель высокочастотное электромагнитное поле. Взаимодействуя с электромагнитным полем, стартовый материал начинает образовывать вокруг себя ванну расплава, реагирует с ней, инкорпорируясь в ее структуру, а высокочастотное электромагнитное поле начинает поглощаться в образовавшейся ванне электропроводного расплава минералоподобной матрицы, выделяя при этом за счет эндогенных процессов тепло, требуемое для поддержания в расплаве заданной температуры и обеспечения процесса сплавления кальцината и флюса и синтеза минералоподобной матрицы. Затем в переходник-смеситель (11) одновременно дозируют кальцинат и флюсующие добавки со скоростями ингредиентов, обеспечивающими получение после процесса плавления заданной минералоподобной матрицы, которые затем поступают в плавильную камеру (15). В плавильной камере происходит синтез матрицы, расплав которой поступает снизу под перегородкой (18) в сливную камеру (17), за время движения приобретая конечный состав минералоподобного материала. Водоохлаждаемая перегородка (18) обеспечивает при этом синтез однородного минералоподобного материала и гарантирует от попадания в сливаемый из тигля расплав непрореагировавших флюса и кальцината.
Синтез минералоподобных композиций осуществлялся путем нагрева смеси концентрированных отходов с флюсующими добавками индукционным путем и плавлением при температуре 1300-1800oC в водоохлаждаемом тигле (16), далее готовый расплав сливали через водоохлаждаемое сливное устройство (19) в емкость (20) и охлаждали.
В качестве ЖРО, подлежащих отверждению и утилизации, были взяты растворы после проведения регенерации отработавшего ядерного топлива энергетических реакторов и выделения ценных компонентов (урана, плутония, РЗЭ и др.). Основной принцип подбора состава матричной минералоподобной композиции для включения радионуклидов основан на максимальном использовании макрокомпонентов жидких ВАО для синтеза будущей матрицы методом плавки. В случае жидких ВАО, в которых соли щелочных, щелочноземельных радионуклидов и алюминия в сумме составляют основную массу компонентов отходов, брали минералообразующие флюсующие добавки для получения конечного материала типа природного минерала: Эгирин, Жадеит, Эгирин-авгит, Арфведсонит, Ортит, Шерлит. Их кристаллическая решетка построена из простых одинаковых цепочек кремнекислородных тетраэдров, между которыми располагаются катионы одно- и многовалентных металлов, причем возможно замещение не только одних катионов на другие, но и замещение части кремния в кремнекислородных цепочках, например, на алюминий. В этом случае появляется возможность включения в кристаллическую решетку минерала более высоковалентного катиона. Это высокотемпературные минералы, входящие в состав магматических и самых глубинных метаморфических горных пород. Они характеризуются высокой твердостью, плотностью и высокой спайностью по призме.
В случае жидких ВАО, в которых основная доля солей приходится на радионуклиды продуктов деления ядерного топлива и продуктов коррозии аппаратуры, брали минералообразующие флюсовые добавки для получения конечного материала типа минерала: Андрадит и/или Ловчоррит. В кристаллической решетке этих материалов присутствуют разобщенные "островки"-кремнекислородные тетраэдры одиночного типа. Эти минералы изоморфно включают в свою структуру большинство химических элементов и обладают высоким сродством к нуклидам, компонентам ВАО. Для этих материалов характерны высокая твердость, изомерические формы кристаллов, сравнительно большая плотность.
В табл. 1 приведены химические составы имитаторов ЖРО.
Продукт N 1 представляет собой модельный раствор, имитирующий реэкстрат стронция и цезия. Раствор содержит азотную кислоту, гидразингидрат, ацетамид и метанитробензотрифторид, являющийся растворителем для фракций Cs и Sr. Продукт N 2 представляет собой модельный раствор смеси реэкстракта ТПЭ и РЗЭ (трансплутониевые и редкоземельные элементы) и кубового раствора узла упаривания среднеактивных отходов. Продукт N 3 представляет собой модельный раствор, имитирующийрафинат продуктов деления после извлечения Cs, Sr, ТПЭ и РЗЭ. Кроме этого, в состав ЖРО могут входить другие радиоактивные отходы - это соединения натрия до 40 г/л, алюминия до 35 г/л, калия до 8 г/л, кальция до 2 г/л и др.
В табл. 2 приведены технологические режимы процессов концентрирования ЖРО и характеристики полученного продукта, готового к плавлению с флюсующими добавками. В нумерации образцов вторая цифра обозначает номер модельного раствора, а первая цифра определяет технологические режимы процессов концентрирования ЖРО, причем образец 72 является аналогом известного материала SYNROC, которые был создан расчетным путем и обработан по способу-прототипу.
В табл. 3 приведены расчетные составы флюсующих добавок для получения конечного состава минералоподобных композиций, соответствующих определенным минералам, и температуры синтеза этих минералов.
В табл. 4 приведены составы синтезированных минералоподобных композиций, количество компонентов радиоактивных отходов в мас.% и фазовый состав полученных блоков.
В табл. 5 приведены расчетные количества используемого модельного раствора и флюсов для синтеза минералоподобных композиций определенных минералов, производительность и удельная производительность устройства. Расчетные количества используемого модельного раствора и флюса представлены в таблице в виде соотношения раствора ЖРО в литрах и требуемого для синтеза определенного минерала флюса в килограммах. Производительность установки приведена по количеству перерабатываемого раствора ЖРО в литрах в час и используемого флюса в килограммах в час. Удельная производительность устройства рассчитывалась как производительность по раствору ЖРО и используемому флюсу, отнесенная к площади зеркала плавильной камеры, т.е. учитывались габариты установки.
Как видно из приведенных примеров, переработке был подвергнут широкий спектр радиоактивных отходов (табл. 1), при этом тип минералоподобных матриц строился с максимальным использованием компонентов ЖРО (табл. 2 и 3). На изготовление монолитных блоков с отвержденными в них отходами было затрачено меньше более дешевых флюсующих добавок, чем на блок, изготовленный по прототипу (пример 72 табл. 2 и 3). Так, добавка только окиси кремния в три различных модельных концентрированных раствора ЖРО позволила получить минералоподобные материалы типа минералов Эгирина, Жадеита и Арфведсонита, т.е. были максимально использованы макрокомпоненты ЖРО, что повышает экономичность процесса получения композиций.
В табл. 4 представлены формулы полученных соединений и заданный фазовый состав блоков, которые соответствуют природным минералам, что позволило получить высокие свойства блоков для их длительного и безопасного хранения в геологических пластах, и фазовый состав блоков. Для сравнения в таблице приведена структура блока, изготовленного по прототипу, которая представляет собой смесь хрупких раздельных фаз сфена, рутила, цирконолита и др., которые не могут обеспечить достаточно длительную прочность блока в условиях длительного хранения и высоких радиационных полей.
Как видно из данных, приведенных в таблице 5, производительность устройства составляет от 25 до 100 л/ч по исходным растворам ЖРО или 7,5-29 кг/ч по продуцируемому композиту. Данные параметры заданы в исходных данных и подтверждены при испытаниях по приведенным примерам (табл. 1-4). Габаритные размеры устройства при этом соответствуют внутренним габаритам стандартных контейнеров, отправляемых после демонтажа на промежуточное контролируемое хранение и захоронение. Устройство снабжено специальными дистанционными разъемами (фиг. 1 и 3, позиции 22), а его вес соответствует рабочим характеристикам стандартных манипуляторов, что делает возможным его дистанционный монтаж и демонтаж с перемещением в контейнеры, отправляемые в хранилище. Используемые в настоящее время керамические плавители имеют на порядок большие габариты, не рассчитаны на дистанционный монтаж-демонтаж и после выработки ресурса вместе с 10-15 тоннами замороженного высокорадиоактивного стекла остаются на хранение на месте их работы. Кроме того, производительность керамических плавителей по перерабатываемому флюсованному раствору составляет 450-500 л/ч, что соответствует ≈ 250-300 л/ч по исходному раствору ЖРО. Удельная производительность по раствору такого устройства составляет 0,3-0,4 л/дм2ч. Предложенное устройство по двухстадийной схеме отверждения ЖРО с использованием водоохлаждаемого тигля и габаритами, соответствующими параметрам стандартных контейнеров, имеет производительность по исходному раствору ЖРО от 30 до 100 л/ч, при этом его удельная производительность находится в интервале от 2,5 до 10,4 л/дм2ч, то есть в 6-30 раз выше, чем у существующих плавителей (см. табл. 5). Незначительные габариты устройства по данному способу означают также малую материалоемкость аппаратов для установки.
Кроме того, производительность устройства ограничивается исключительно заданными габаритами, приемлемыми для манипуляторов и контейнера, а не используемым способом. Увеличение габаритов устройства с водоохлаждаемым тиглем позволяет значительно увеличивать общую производительность устройства как более высокоэффективного.
Таким образом, предложенное изобретение позволяет:
- перерабатывать широкую номенклатуру ЖРО, практически не имея ограничений по их составам и наличию в составах коррозионно-активных компонентов (табл. 1);
- максимально использовать компоненты ЖРО для создания структуры монолитного блока отвержденных отходов;
- использовать минимальные количества дешевых флюсующих добавок для проведения процесса (табл. 3);
- получить радиоактивные отходы в форме минералоподобных соединений, способных длительное время удерживать радионуклиды в условиях захоронения (табл. 4);
- увеличить удельную производительность устройства за счет более эффективного способа отверждения ЖРО (табл. 2 и 5);
- использование простых схем аппаратов без движущихся рабочих органов дает возможность повысить надежность и увеличить межремонтный ресурс устройства (фиг. 1 и 2);
- использование для высокотемпературного синтеза водоохлаждаемого тигля позволяет производить синтез материалов при температурах 1250-1800oC (табл. 3), при этом становится возможным синтез аналогов минералов, достигается высокая удельная производительность синтеза, за счет образования гарнисажа между стенками плавителя и агрессивным расплавом материала увеличивается ресурс аппарата;
- эффективные предварительное концентрирование и высокотемпературный синтез материалов с высокой удельной производительностью позволяют уменьшить габариты устройства и, соответственно, снизить материалоемкость и стоимость устройства, сделать его дистанционнозаменяемым, а после выработки ресурса удаляемым на промежуточное хранение и захоронение;
- уменьшить количество вторичных радиоактивных отходов.
Наиболее эффективно настоящее изобретение может быть применено для отверждения высокорадиоактивных отходов с целью иммобилизации их токсичных и радиоактивных компонентов и последующего захоронения в геологические пласты.
В настоящее время в России используются индустриально керамические плавители типа ЭП, в которых нуклиды иммобилизуются в фосфатном стекле. В плавителях данного типа, в соответствии с регламентом, можно перерабатывать только узкий спектр составов ЖРО. Кроме того, обладая высокой общей производительностью, плавители ЭП имеют значительные габариты и в их конструкцию не заложены дистанционный демонтаж и удаление. После выработки ресурса они охлаждаются и хранятся на месте эксплуатации вместе с несколькими тоннами высокорадиоактивного стекла, что в будущем, по-видимому, потребует создания специальных технологий по их утилизации (захоронению).
Использование индукционных плавителей позволяет синтезировать материалы (в том числе стекло- и минералоподобные), пригодные для отверждения практически всех классов ЖРО. Также данная технология позволяет использовать компактное технологическое оборудование, дистанционно удаляемое на захоронение.
Внедрение разработки обеспечит экологический эффект и предотвратит риск возникновения радиационных аварий и техногенных катастроф, связанных с хранением на площадках радиохимических производств жидких ВАО.
Формула изобретения: 1. Способ отверждения жидких радиоактивных отходов, включающий их подготовку, концентрирование и смешивание с флюсующими добавками, нагрев полученной смеси, плавление, слив расплава в емкости, охлаждение расплава и формирование блоков, отличающийся тем, что концентрирование осуществляют распылительной сушкой и кальцинацией при 600 - 800oC, в качестве флюсующих добавок используют минералообразующие соединения в количествах, которые позволяют получить блоки в виде минералоподобного материала типа природных минералов: Эгирин, Жадеит, Эгирин-авгит, Арфведсонит, Ортит, Шерлит, Ловчоррит, Андрадит или их смесей, причем синтез этого материала осуществляют плавлением при 1250 - 1800oC и при непосредственном воздействии индукционного поля на расплав.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для отверждения жидких радиоактивных отходов, обогащенных щелочными элементами и алюминием, в качестве флюсующих добавок используют минералообразующие соединения в количествах, которые позволяют получить блоки в виде минералоподобного материала типа природных минералов Эгирин, Жадеит, Эгирин-авгит, Арфведсонит, Ортит, Шерлит или их смесей, а синтез материала осуществляют при 1300 - 1800oC.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для отверждения жидких радиоактивных отходов, обогащенных продуктами деления и продуктами коррозии аппаратуры, в качестве флюсующих добавок используют минералообразующие соединения в количествах, которые позволяют получить блоки в виде минералоподобного материала типа природных минералов Ловчоррит и/или Андрадит, а синтез материала осуществляют при 1250 - 1500oC.
4. Устройство для отверждения жидких радиоактивных отходов, включающее емкость для жидких радиоактивных отходов, аппарат концентрирования, индукционный плавитель, имеющий водоохлаждаемое сливное устройство, емкость с флюсующими добавками, снабженную дозатором, смеситель, узел очистки отходящих газов, систему трубопроводов и арматуры, отличающееся тем, что устройство дополнительно снабжено высокотемпературным теплоизолированным фильтром и трубопроводом, соединяющим аппарат концентрирования, смеситель и фильтр, аппарат концентрирования выполнен в виде обогреваемого снаружи и расположенного над плавителем цилиндрического сосуда, в верхней крышке которого установлена форсунка, соединенная с емкостью жидких радиоактивных отходов и источником сжатого воздуха, индукционный плавитель выполнен в виде водоохлаждаемого тигля с прозрачными для переменного электромагнитного поля боковыми стенками и дном, внутри тигля сформированы сообщающиеся между собой в нижней части тигля плавильная и сливная камеры, плавильная камера через смеситель сообщена с аппаратом концентрирования, фильтром и дозатором флюса, сливная камера снабжена водоохлаждаемым сливным устройством.
5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что боковые стенки и дно корпуса водоохлаждаемого тигля состоят из двухслойного набора параллельных трубок водяного охлаждения, собранных на единой крышке-коллекторе и герметизированных диэлектрической керамикой.
6. Устройство по п.4 или 5, отличающееся тем, что фильтр и аппараты узла очистки отходящих газов соединены с источником разрежения.
7. Устройство по любому из пп.4 - 6, отличающееся тем, что каждый из основных узлов устройства - емкость для жидких радиоактивных отходов, аппарат концентрирования с фильтром, индукционный плавитель, емкость с флюсующими добавками, снабженная дозатором, смеситель, узел очистки отходящих газов, выполнены в виде дистанционно демонтируемых и заменяемых модулей.